En trägroda fotograferad i Missouri |

Ett fantastiskt djur

Cryobiology är studien av biologiskt material som ligger under normala temperaturer. Ett exempel på detta material är trägrodan på vintern. Detta fantastiska djur överlever månader av viloläge med mycket av sin kropp frusen och utan ett hjärta som slår. I de flesta andra djur är hjärtat dött när hjärtat slutar slå. Detta är dock inte sant för trägrodor. Trots den nästan fullständiga avstängningen av deras kroppar skadas inte grodorna av frysning och blir aktiva igen när de varmare temperaturen på våren når.

Trägrodan är en fascinerande organism att studera i sin egen rätt. Dessutom kan anpassningarna som gör det möjligt att överleva frysning vara till hjälp för att förstå och kanske till och med att hantera mänskliga medicinska problem. Dessa problem inkluderar säker frysning och tining av organ för kryokonservering och transplantationer, en hög glukosnivå i kroppen och säker återupptagande av blodflödet efter en hjärtattack eller stroke.

En brunfärgad trägroda |

Trägrodan

Ordet groda har två vetenskapliga namn - Lithobates sylvaticus och Rana sylvatica . Det är ett litet djur som är cirka 1, 4 till 3, 25 tum långt. Grodan är brun, orange-röd eller solbrun i färg. Det har en mörk linje framför varje öga och en mörk fläck bakom sig. Detta mönster liknar en mask och är det mest märkbara inslaget i djurets utseende. Grodan kan också ha mörka, horisontella staplar över bakbenen, en mörk lapp i det övre inre hörnet av varje ben och mörka fläckar eller fläckar på andra delar av kroppen.

Djurets räckvidd täcker huvuddelen av Kanada och sträcker sig in i Alaska och ner i nordöstra USA. Det är den enda grodan som har upptäckts norr om polcirkeln. Trägrodor finns också i ett litet område i centrala USA. Grodorna lever främst i skogen, som deras namn antyder, men de bor också på gräsmarker och tundran.

Vuxna trägrodor äter insekter och andra små ryggradslösa djur. Gräshumpor äter bara växter. Manens samtal är anmärkningsvärd eftersom den liknar en anka kvak. Honan lägger flera tusen ägg. Rovdjur förhindrar att alla ägg och grodbandar utvecklas.

Cryobiology är studien av proteiner, celler, vävnader, organ och organismer som har en ovanligt låg temperatur.

Hibernation

I den norra delen av sitt sortiment upplever trägrodan mycket låga vintertemperaturer. De flesta grodor i denna situation begraver sig i leran i botten av en sjö, damm eller annan vattenmassa. Detta hindrar djuren från att frysa under viloläge. När vintern närmar sig, begravs dock trägrodan i en ytlig hål på land.

Bladströ som täcker grodan och snön som faller på toppen ger lite isolering från de kalla vintertemperaturerna, men inte mycket. Det finns faktiskt så lite isolering att djuret snart fryser. Hjärtat slutar slå, lungorna och andra organ slutar fungera och en stor del av vattnet i kroppen fryser. Den frysta vätskan inkluderar blodet.

Trägrodor har utvecklat sätt att frysa fast i upp till åtta månader varje år. De har åstadkommit det som verkar vara ett biologiskt mirakel.

- National Park Service

Farorna med frysning av levande vävnad

Frysning av levande vävnad är normalt en farlig process på grund av iskristallerna som bildas när vattnet i cellerna fryser. Kristallerna kan spränga material och orsaka omorganisering av cellstrukturer, vilket kan leda till permanent skada. De kan också orsaka vattenförlust och uttorkning av celler. Om blodkärlen bryts får celler i kroppen inte längre syre och näringsämnen. Trägrodan har dock övervunnit dessa problem.

En grå trägroda i Quebec |

Forskare har funnit att trägrodor kan överleva när sextiofem till sjuttio procent av kroppen är frusen. Grodorna kan säkert genomgå flera frys-tina cykler på en vinter.

Förhindra att celler fryser på vintern

Grodans lever producerar en stor mängd glukos när vintern närmar sig. Detta transporteras med blodet och kommer in i djurets celler, där det fungerar som ett frostskyddsmedel. När ämnen upplöses i vatten sänker de dess frysstemperatur. Den höga glukoskoncentrationen i celler förhindrar att deras inre fryser när temperaturen sjunker.

En ökad koncentration av ett avfallsämne som kallas urea hjälper också till att förhindra frysning i cellerna. Urea utsöndras normalt i urin. De höga nivåerna av glukos och urea verkar inte skada grodan.

Även om djurets celler inte är frusna är de antingen inaktiva eller har extremt låg aktivitet. Aktiva celler behöver syre och andra näringsämnen från blodet och måste skicka avfallsämnen till blodet. Blodet flödar emellertid inte när en groda är fryst.

Frysetoleranta djur begränsar vanligtvis istillväxt till extracellulära utrymmen i deras kroppar medan de använder skyddsmekanismer för att hålla vattnet inuti sina celler från att frysa (extracellulär frysetolerans plus intracellulär frysning undvikande).

- Janet M. Storey (Carleton University) och Nature North

Extracellulärt vatten

Även om vattnet i grodans celler inte fryser, gör åtminstone en del av vattnet utanför cellerna. Detta inkluderar vatten på huden, mellan huden och musklerna, som omger organen i bukhålan och i ögatlinsen. Som ett resultat ser en vilande groda ut som om den är frusen och känns som ett fast block. Forskare har upptäckt att mycket av det extracellulära vattnet flyttas till platser där det är minst troligt att det fryser cellerna.

Forskare har också funnit att grodan verkar uppmuntra starten av isbildning utanför dess celler. Huden är mycket permeabel för vatten och kroppen innehåller iskärnbildande medel. Dessa fungerar som ett frö för isväxt i vattnet som har samlats i de extracellulära utrymmena. Kärnbildningsmedlen inkluderar vissa mineraler och bakterier som grodan har intagit samt specifika proteiner i kroppen.

Tina säkert på våren

Även om forskare delvis förstår processerna som förekommer i en groda i träfosken när den fryser, är signalerna som hindrar hjärtat från att slå och lungorna fungerar fortfarande mystiska. Vissa aspekter av upptiningsprocessen är fortfarande förbryllande också.

Det tar ungefär en dag för trägrodan att både tina upp och återgå till normal aktivitet och lite längre innan den är redo att reproducera. Upptiningsprocessen börjar från insidan av djurets kropp och rör sig utåt, vilket gör att grodan gradvis kommer ut av upphängd animering. Signalerna som stimulerar hjärtat att börja slå igen och lungorna att börja fungera är okända.

Grodan verkar vara i gott skick när den har tinats. Det finns vissa bevis på att kroppsreparationsprocesser blir mer aktiva än vanligt under och omedelbart efter upptining.

I den norra delen av sitt sortiment har trägrodan en stor fördel jämfört med andra grodor. På våren tinar landet och grodans kropp innan den iskalla täckningen av sjöar, dammar och floder. Trägrodor kan därför föda upp före de flesta andra grodarter. De lägger sina ägg främst i tillfälliga smältvattendammar, även kända som vernal pooler. Äggen läggs också i permanenta vattendrag, dock särskilt i den varmare delen av djurets sortiment.

Hjärtat återupptar att slå även innan is i kroppen har smält helt och lungandning och blodcirkulation återställs snart därefter.

- Miami University

Likheter och skillnader mellan grodor och människor

En groda är ett ryggradsdjur, som människor. Även om djuret ser mycket annorlunda ut från en människa externt, finns det många likheter i de inre organen hos en groda och en människa. Båda följer den grundläggande ryggradsplanen för intern anatomi. Människor och grodkroppar har också många kemikalier och kemiska reaktioner gemensamt.

En skillnad mellan de två organismerna är att människor är endotermiska (varmblodiga) och grodor är ektotermiska (kallblodiga). En endoterm organisme upprätthåller samma inre temperatur oavsett miljötemperatur, utom i speciella omständigheter, på grund av processer som uppstår i kroppen. Temperaturen för ektotermiska organismer är i allmänhet densamma som för miljön. Vissa ektotermer ändrar sin temperatur genom sitt beteende, till exempel genom att sola när de är kalla och komma in i ett skydd av något slag när de är heta. Uttrycket "kallblodigt" är inte alltid korrekt för dem.

En groda i groda från trä |

En studie av trägrodor kan hjälpa forskare att förbättra kryokonservering av vävnader och organ, glukoshantering vid diabetes och förebyggande av reperfusionsskador.

Frysförvaring

Att förstå hur grodans kropp reagerar på temperaturer under och därefter över frysning kan hjälpa oss att förbättra kryokonserveringen (konservering vid låga temperaturer) hos mänskliga celler, vävnader och organ. Dessa måste bevaras i utmärkt skick så att de kan transplanteras till de patienter som behöver dem.

Att förbättra bevarandet av organ skulle vara särskilt användbart. För närvarande kyls dessa men inte frysas, vilket begränsar tillgängligheten till patienter som behöver dem. Organen dör så småningom om de inte är frusna. Frysning och tining är mycket mer framgångsrik för små föremål som ägg, spermier och embryon än för stora föremål som organ. Djupfryst organ skadas av sprickbildning under upptiningsprocessen.

En mer mogen rumpskydd |

Trägrodor tolererar blodsockernivåerna 100 gånger högre än normalt utan de skador som drabbats av mänskliga diabetiker när deras blodsocker bara är 2 till 10 gånger högre än normalt.

- National Park Service

En hög glukosnivå i blodet och hjärnan

Att upptäcka detaljerna om glukoshantering i grodan kan hjälpa läkare att hantera diabetes. Insulin är ett hormon som inducerar glukosabsorption i de flesta celler i kroppen. Glukosmolekylerna används som energikälla. Vid diabetes ökar blodsockret (även känt som blodsocker), antingen för att insulin inte längre tillverkas av bukspottkörteln eller för att insulin inte längre gör sitt jobb. Båda problemen förhindrar att glukos kommer in i cellerna och orsakar en hög blodsockernivå.

Hjärnneuroner kräver och absorberar glukos, men de flesta av dem behöver inte insulin för att göra detta. Forskare upptäcker dock att insulin har vissa funktioner i hjärnan. Situationen undersöks fortfarande. En hög glukosnivå i blodet kan orsaka olika problem för hjärnan och som ett resultat för kroppen.

Däremot verkar en hög glukosnivå i blodet eller i celler inte vara farlig för trägrodor, åtminstone på väg upp till och under viloläge. Det skulle vara intressant och möjligen användbart för människor att förstå varför detta är fallet.

Den vuxna |

Reperfusion Injury

Det finns ett annat sätt på vilket studien av grodorna kan hjälpa människor. Människor kan uppleva en reperfusionsskada eller vävnadsskada när blodet återvänder till ett område efter att ha varit frånvarande ett tag. Frånvaron av blodtillförsel kan orsakas av en hjärtattack eller av en stroke.

Bristen på blodflöde till en del av kroppen innebär att området saknar syre och näringsämnen och att toxiner byggs upp. Dessa faktorer kan skada området. Området är då mottagligt för att ytterligare skadas av reaktiva syrearter när blodet återkommer. Anledningen till utseendet på dessa reaktiva kemikalier undersöks fortfarande.

Trägrodan verkar inte uppleva någon skada när blodet börjar rinna igen på våren, eller om det gör det, repareras skadan snabbt. Att förstå hur skador på grund av stopp och återupptagande av blodflödet förhindras eller väsentligt reduceras kan vara användbart.

En spännande amfibie

Trägrodan är ett spännande djur som kan ha mycket att lära oss. Förhoppningsvis kommer att förstå dess biologi att hjälpa oss att hantera medicinska problem. Även om detta inte visar sig vara sant, är grodan en fascinerande liten varelse som är värd att studera. Dess anpassningar för överlevnad på vintern är mycket imponerande.

referenser

  • Fakta om trägroda från National Wildlife Federation
  • Information om trägrodor på vintern från National Park Service
  • Fakta om frysetolerans hos trägrodor från tidningen Nature North
  • Strategier för överlevnad av grodor under frysning från Laboratory of Ecophysiologic Cryobiology vid Miami University
  • Reperfusionsskada och reaktiva syrearter från National Institute of Health
  • Insulin och den mänskliga hjärnan (abstrakt) från Medscape